環保無熒光生物質潤滑劑ZYRH的性能與應用*

張曉剛，單海霞，李 彬，張 弌，周亞賢，王中華

（中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001）

隨著石油勘探開發領域的日益擴大，鉆探地層不斷加深，鉆探方式不斷翻新，鉆探難度也在逐年增加，深井、超深井、定向井、水平井、大位移井、高密度長裸眼井等復雜結構井日益增多，鉆井作業對鉆井液的潤滑性能要求越來越高［1-6］。現有的混原油鉆井液，存在原油加量大（5%數10%）、難生物降解、熒光級別高等缺陷，后續鉆屑易成為危險廢物（油含量＞3%），環保風險和治理成本高［7-12］；改性油酸酯類潤滑劑由于含有酯鍵等不飽和鍵，存在抗溫差、易氧化、易分解等缺陷。為解決上述問題，性能良好的潤滑劑必須具備兩個條件：一個是分子的烴鏈要足夠長（一般碳鏈在C12數C18 之間），不帶支鏈，以利于形成致密的油膜；二是吸附劑要牢固地吸附在黏土和金屬表面，以防止油膜脫落。筆者以植物油為原料，利用生物水解、酰胺化、加成反應等在潤滑劑分子結構中合理引入非極性長碳鏈油性脂肪烴基（C12數C18 植物烷烴基）、親水基（羥基、胺基等）以及具有極壓抗磨性基（硫、磷、噻唑等），合成了一種生物質潤滑劑ZYRH。本文報道了ZYRH的熒光級別、乳化穩定性、潤滑性和抗溫耐鹽性能，并考察了ZYRH對鉆井液流變及失水造壁性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

無水碳酸鈉，分析純，鄭州派尼化學試劑廠；氯化鉀、氫氧化鉀、氫氧化鈉，分析純，天津市永大化學試劑有限公司；氯化鈉，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；鈉膨潤土，工業品，勝利油田勝大纖維素廠；磺化褐煤SMC，工業品，蘭考縣德盛泥漿處理劑廠；羧甲基纖維素鈉鹽LV-CMC、合成聚合物降濾失劑COP-LFL，均為工業品，濮陽市金泰化工有限公司；磺甲基酚醛樹脂SMP-II，工業品，濮陽市綠洲實業有限公司；磺酸鹽共聚物降濾失劑AMPS-150，工業品，民權東興泥漿材料有限公司；銨鹽，工業品，勝利油田勝華實業有限責任公司復合材料廠；重晶石，工業品，貴州天弘礦業股份有限公司；聚胺抑制劑，工業品，河南赫銳達石油工程技術有限公司；殺菌劑，工業品，勝利油田勝利化工有限責任公司；原油，0號柴油，工業品；兩性離子磺酸鹽聚合物處理劑CPS2000、穩泡劑HXC、發泡劑、膠束促進劑、液膜強化劑、泡沫控制劑、改性纖維封堵劑、微裂縫隨鉆封堵劑、原油乳化劑（聚酰胺類），均為工業品，鉆井工程技術研究院。

GJS-B12K 型變頻高速攪拌機、JBW 型加熱強力攪拌裝置、QN 型精密數顯密度計、ZNS-4 型鉆井液濾失量測定儀、ZNN-D6B 型數控六速黏度計、GW300-PLC 型變頻高溫滾子加熱爐，青島得順電子機械有限公司；OFI 112-00-1 型數顯式極壓潤滑儀，環球（香港）科技有限公司；GGS42-2 型高溫高壓濾失儀，青島海通達專用儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鉆井液配制

在400 mL 蒸餾水中加入20.0 g 鈉膨潤土和0.8 g 無水碳酸鈉，高速（11000 r/min）攪拌20 min，在25±3℃密閉養護24 h，得到基漿。

聚合物鉆井液配方：基漿+1%LV-CMC+1%COP-LFL+4%SMP-II+6%KCl+1%AMPS-150+ 重晶石；

聚磺鉆井液配方：基漿+0.3%CPS2000+1%LV-CMC+3%SMP-II +3%SMC+0.6%銨鹽+0.05%NaOH+重晶石；

微泡鉆井液配方：基漿+0.5%LV-CMC+0.4%COP-LFL+0.3%穩泡劑HXC+1%發泡劑+1.5%膠束促進劑+3%液膜強化劑+0.2%泡沫控制劑+0.2%聚胺+2%改性纖維封堵劑+3%微裂縫隨鉆封堵劑+0.15%殺菌劑+重晶石。

1.2.2 性能測定

將一定量的潤滑劑ZYRH 加入基漿中，高速攪拌20 min，室溫養護4 h。在室溫下，將待測漿體高速攪拌5 min，用數控六速黏度計分別測定空白基漿和加入ZYRH 的基漿的流變性能，用極壓潤滑儀分別測定空白基漿和加入ZYRH 的基漿的極壓潤滑系數，并計算潤滑系數降低率；將測試后的漿體分別裝入高溫老化罐，在設定溫度下滾動老化16 h，冷卻至室溫，高速攪拌5 min后，用鉆井液濾失量測定儀分別測定老化后鉆井液的API 濾失量，并測定老化后鉆井液的流變性能和極壓潤滑系數，并計算潤滑系數降低率。

1.2.3 生物毒性評價

參照中國石油天然氣行業標準SY/T 6787—2010/5《水溶性油田化學劑環境保護技術要求》，用蒸餾水配制質量分數1%（按產品標準規定的最大使用量）的ZYRH溶液，按體積比取1份實驗液加入9份質量濃度為30 g/L的氯化鈉溶液，在1100 r/min轉速下攪拌30 min，靜置60 min，稀釋至濃度為106mg/L的樣品液，然后進行發光細菌急性毒性測試。

2 結果與討論

2.1 ZYRH的理化性能

采用發光細菌法對潤滑劑ZYRH 進行生物毒性檢測，同時對比分析了ZYRH與原油的基本理化性能，結果見表1。結果顯示，潤滑劑ZYRH的半數效應濃度EC50值＞1.0×106mg/L，說明潤滑劑ZYRH無毒，綠色環保；閃點高，運輸包裝使用安全；與原油比，潤滑劑ZYRH 為低熒光級別，不會對測錄井作業產生不良影響；此外，ZYRH 不含芳香烴，易生物降解，環境安全性好。

表1 潤滑劑ZYRH與原油的理化性能對比

2.2 ZYRH的潤滑性

在基漿中加入不同量的ZYRH，180℃老化16 h，測試加入ZYRH的基漿的極壓潤滑系數，并與空白基漿在相同處理條件下的潤滑系數（0.4110）對比計算潤滑系數降低率，結果見圖1。由圖1可知，ZYRH 加量大于1%時，潤滑系數低于0.0351，潤滑系數降低率大于90%，可以滿足現場應用需求。

圖1 ZYRH加量對潤滑性能的影響

2.3 ZYRH的抗溫性

在基漿中加入質量分數1%的潤滑劑ZYRH，測定在不同溫度下老化16 h后的極壓潤滑系數，與空白基漿在相同處理條件下的極壓潤滑系數對比計算潤滑系數降低率，結果見圖2。由圖2可知，ZYRH在高溫下對基漿的潤滑效果非常明顯；100℃時，潤滑系數降低率高達92.5%；潤滑系數降低率隨溫度升高而降低，但溫度為200℃時，潤滑效果仍然良好，能夠滿足鉆井作業抗高溫需求。

圖2 反應溫度對ZYRH潤滑性能的影響

2.4 ZYRH的持效性

在基漿中加入質量分數1%的潤滑劑ZYRH，在180℃下連續老化10 d，測定老化后的極壓潤滑系數，并與空白基漿在相同處理條件下的極壓潤滑系數對比計算潤滑系數降低率，結果見圖3。由圖3可知，經長期老化后，潤滑系數降低率沒有明顯下降，經10 d老化后，潤滑系數降低率仍可達88.2%，可以滿足鉆井作業對潤滑劑的持效性需求。

圖3 長期老化對ZYRH潤滑性能的影響

2.5 ZYRH的抗污染性能

在基漿中加入質量分數1%的潤滑劑ZYRH，同時加入不同量的巖屑或NaCl鹽，測定其老化后的極壓潤滑系數，并與空白基漿在相同處理條件下的極壓潤滑系數對比計算潤滑系數降低率，結果見圖4、圖5。結果顯示，潤滑劑ZYRH 抗巖屑污染能力可達20%，抗鹽能力可達飽和，潤滑系數降低率均大于85.0%。

圖4 巖屑加量對ZYRH潤滑性能的影響

圖5 鹽含量對ZYRH潤滑性能的影響

2.6 ZYRH與鉆井液的配伍性

分別在聚合物鉆井液（1#，密度1.6 g/cm3）、聚磺鉆井液（2#，密度1.6 g/cm3）、微泡鉆井液（3#，密度0.96 g/cm3）中加入質量分數1%的潤滑劑ZYRH，在一定溫度老化16 h 后，測定ZYRH加入前后的流變性能、中壓濾失量及極壓潤滑系數，并與加入原油和原油乳化劑的進行對比，結果見表2。由表2可知，潤滑劑ZYRH 與不同類型鉆井液的配伍性好，ZYRH 的加入對不同類型鉆井液的流變性能基本無影響；ZYRH 的潤滑性能與原油的相當，但潤滑劑的加量比原油的大幅降低，潤滑系數降低率均在50%以上，可以滿足鉆井作業對鉆井液潤滑性的要求。

3 現場應用效果

3.1 衛455井

衛455井是中原油田分公司部署在東濮凹陷西部斜坡的一口評價井，完鉆井深3825 m，三開次井身結構，采用聚磺飽和鹽水鉆井液，巖性為棕紅色/深灰色泥巖、棕紅色/淺棕色粉砂巖與泥巖互層、灰白色膏鹽巖、頁巖和油頁巖層，為降低施工摩阻，解決定向脫壓問題，該井三開井段（1433.19數3825 m）應用了潤滑劑ZYRH，加量為0.6%數1%，ZYRH與衛455井現場井漿配伍性評價見表3。表3顯示，ZYRH 的加入保障了鉆井液極強的潤滑性，極壓潤滑系數由0.2890 下降至0.1240 以下，潤滑系數降低率在57.1%以上，同時，ZYRH的低熒光特性保證了三開起下鉆暢通，電測及下套管作業順利進行。

表2 ZYRH與不同類型鉆井液的配伍性*

3.2 文23儲5-1井

文23儲5-1井是天然氣分公司部署在東濮凹陷中央隆起帶北部文留構造文23塊的一口水平井，三開次井身結構，完鉆斜深3074 m/垂深3059.32 m（井斜13.85°、方位350.03°），使用低密度微泡鉆井液，巖性為白云質粉砂巖、粉砂巖夾泥巖、泥巖。針對該井造斜段2830 m 附近摩阻偏大，定向困難的問題，加入質量分數1%數1.5%的ZYRH 潤滑劑，ZYRH 與文23 儲5-1 井現場井漿配伍性評價見表4。表4顯示，在微泡鉆井液中添加ZYRH 后，隨加入量增加，流變性能明顯呈現降黏切、降低濾失特征，潤滑性能有所提高，潤滑系數降低率達到60%以上。ZYRH 的加入有效解決了定向問題，一次定向成功，完鉆通井上提摩阻30數40 t、下放摩阻20數30 t，循環提拉幾次后上提摩阻降為10數20 t，鉆具與井壁之間的摩擦大大降低，有效預防井下復雜事故出現。

從潤滑劑ZYRH 在現場25 口井的應用效果推測，ZYRH 在巖石和鉆具表面上形成高韌性的潤滑膜［13-14］，潤滑膜由于分子間的內聚力作用，具有一定的承壓能力，可有效地阻止井壁和鉆具表面的直接接觸，從而起到潤滑降摩阻作用。此外，經錄井隊檢測ZYRH 無熒光，達到了鉆井液助劑入井要求，加入ZYRH 后錄井作業一切正常，未受干擾，滿足儲層施工對添加劑熒光值的要求。

表3 ZYRH與衛455井現場井漿配伍性評價

表4 ZYRH與文23儲5-1井現場井漿配伍性評價

4 結論

潤滑劑ZYRH 無熒光、EC50值＞1.0×106mg/L，生物毒性低，環境保護效果好。該潤滑劑的抗溫達200℃、抗鹽達飽和，在基漿中加量1%數2%時，極壓潤滑系數小于0.1。

潤滑劑ZYRH 與聚合物、聚磺、微泡鉆井液等配伍性良好，對鉆井液的流變性能沒有影響，有一定的的降濾失效果，加量≤2%的情況下，極壓潤滑系數降低率大于55%。

該新型潤滑劑ZYRH 能夠有效增強鉆井液的潤滑性，降低鉆柱扭矩，減少井下復雜情況的發生，有利于提高鉆井速度，縮短鉆井周期，降低鉆井綜合成本。